《水文地质学基础》第五章 包气带水的运动

1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础第五章 包气带水的运动主讲教师：张卫民本章内容 5.1 毛细负压与毛细压力水头5.2 毛细压力水头的测定方法 5.3 毛细上升高度与速度5.4 包气带岩石的渗透系数5.5 包气带水的下渗运动Company Logo5.1 毛细负压与毛细压力水头 包气带特点复习 岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存介质 在毛细水中：讨论过毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式毛细负压与毛细压力水头 液体表面有一个张力，将液体表面看成一个拉紧的弹性薄膜，表层分子间则以一种弹性力相连，这种弹性力就相当于表面张力， 大小：f = L - 表面张

2、力系数（单位dyn/cm，1dyn=10-5N) L液面线段长度 方向：平行液面，垂直L线段Company Logo5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头表面张力使液面发生弯曲，当弯曲呈半圆球形时（ 细小）弯液面上产生毛细力，表面张力的合力称为毛细力（f）毛细力作用在弯液面（半圆球）上，称为毛细压强-为液体的表面张力系数 R-半圆球曲率半径fCompany Logo5.1 毛细负压与毛细压力水头任意弯曲液面，表面压强： 为液体的表面张力系数，R1与R2为弯曲液面的2个曲率半径当弯曲液面为半圆球时R1=R2R，D2R，D为直径毛细压强是有方向的，对液面来说（是水），这是个负压强又称

3、毛细负压（pc）压强转化为水柱高度表示（hc）毛细负压Company Logo压强转化为水柱高度表示（hc）-水的密度，取 1g/cm3 ; g-重力加速度，取 981cm/s2 ； -表面张力系数，取74dyh/cm=7410-3N/mD毛细管直径（用mm表示）hc毛细压力水头（m）又称毛细压头 与毛细管直径成反比5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细压头Company Logo毛细压力水头，又称毛细压头PcHA= ZA+hAHB= ZB+hBHA =000HB =0-hc-hcHC =hc-hc0基准面P0P0Company Logo5.2 毛细压力水头的测定方法：在饱水带中：测量任一点的压力

4、水头用测压管（压力计） HA=ZA+hA在包气带中（测负压）：张力计（tensionmeter） 前端装上多孔陶瓷头（捧）；插入土中；张力计管中充满了水，在非饱和土中，空隙中的负压与张力计液面高度平衡后，张力计形成的负压与所测点B相等时，张力计上的-hBc即为测点的负压例：HB=ZB-hBc HCZC-hCc （图示）如果测得包气带中HBHC，其意义如何（与水力学水头概念一致），水流运动方向为BC，入渗水流如果测得包气带中HB HC，水流运动方向为CB, 水流？张力计Company Logo负压测量仪张力计。B水陶土头土体hc饱水带饱气带。CBCAHA=ZA+hAHB=ZB-hCCompany

5、 Logo5.3 毛细上升高度与上升速度5.3.1 毛细上升高度与毛细上升速度 毛细压力水头与毛细压强的概念，观察毛细管中水的运动 毛细上升高度1）插入水中初始：瞬时刻 HA=ZA+0 =0 HB=ZB+(-hc)= -hc HC= ZC+(-hc)=02）最后：HA = HC （管中水不运动静止液体） 此时毛细管中的最大上升高度hc 称为毛细上升高度, 它在数值上等于该管所具有的毛细压力水头值毛细水上升高度转下页Company LogoB OO HA=0HB=-hCHA= ZA+hAHB= ZB+hBHA=0HB =ZB -hCVB = IB KIB = (HA-HB ) /LBB = -(

6、ZB -hC ) / ZB = hc / ZB 1 毛细水运动推导ZB Company Logo5.3.2 毛细上升速度毛细上升速度用达西定律分析：水由 BB 毛细水的运动 VB = IB K A点水头 ？ HA=ZA+0 =0， B 点水头 ？ HB =ZB -hC IB = (HA-HB ) /LBB hc / ZB 1 讨论VB = IB K=(hc / ZB 1 ) K，假设K不变 ZB 0时，毛细上升刚开始， hc / ZB ， IB ， VB 很大 ZB 逐渐增大时， IB 变小，上升速度变慢 IB hc 时， hc / ZB 1， IB 0 ， VB 0, 上升停止毛细水可以上升

7、的最大高度hmax，就等于该毛细管可以产生的最大毛细压力水头hc毛细水上升速度Company Logo5.4 包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数K 饱水带中，任一特定的均质土层，渗透系数K是常数； 包气带中，水流仅在饱水的空隙中运动，渗透系数K随含水量降低而迅速变小，是含水量的函数： K（包）= K （）， 为土层含水量原因： (1)含水量降低，实际过水断面随之减少； (2)含水量降低，水流实际流动途径的弯曲程度增加； (3)含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流动，阻力增加。 由于上述原因，渗透系数与含水量呈非线性关系。Company Logo5.4 包气带中岩石的渗透系数包

8、气带中岩石的渗透系数K 渗透系数K特点： 包气带中K包不是常数； K包小于饱水带中的K； 随含水量增高K包K 包气带含水量与K包关系包气带岩石含水量曲线Company Logo包气带中岩石的渗透性K（包）=K（）， 为土层含水量K包1K包2K包3KCompany Logo5.5 包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为：实例：降水入渗均质包气带，地表形成极薄水层，活塞式入渗，试求其入渗速率（Vt）？（Vt与时间t有关） 1）取地面为基准面，向上为正（这是研究渗流场中水位所必须的）； 2）在渗流途径上取两个过水断面，一个取地面，一个取入渗前锋；Company Logo5.5 包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动二断面处的水位分别为：则二断面间平均水力坡度 ：3）则t时刻的入渗速率（Vt），即垂向渗透速度为：ABCompany Logo5.5 包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动由上式可知： 1）t很小时，Z很小，Vt趋于无穷大； 2）t增加时，Z增加，Vt减小； 3）t很大时，Z达很大 ， 此时，入渗速率趋于一个定值。小结Company Logo小结包气带水的运动与饱水带的运动相比，有三点不同：饱水带重力势； 包气带重力势+毛细势饱水带任一点水头随水位变化； 包气带水